Rev Author Line No. Line
2849 kaklik 1 \documentclass[12pt,a4paper,twoside]{article}
2 \usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[czech]{babel}
5 \usepackage{graphicx}
2852 pomiceva 6 \usepackage{fancyhdr}
7 \usepackage{fullpage}
8 \usepackage[top=5cm, bottom=10cm, left=2.5cm, right=2.5cm]{geometry}
9 \textwidth 16cm \textheight 20cm
10 \topmargin 0cm
2849 kaklik 11 \oddsidemargin 0cm
2852 pomiceva 12 \pagestyle{fancy}
13 \addtolength{\headsep}{30 pt}
14 \addtolength{\footskip}{50 pt}
15  
16 \fancyfoot{}
3027 kaklik 17 \fancyfoot[L]
3033 kaklik 18 {\raisebox{-0.75cm}{\includegraphics[width=1.5cm]{img/datamatrix.png}} \begin{tabular}{cc}
3028 kaklik 19 pomiceva & jichapav \\
20 kakonjak & poskozby\\
21 hanuson1 & \\
3027 kaklik 22 \end{tabular}
23 }
2852 pomiceva 24 \fancyfoot[R] {\thepage}
25  
26  
2849 kaklik 27 \begin{document}
3039 kaklik 28 \title{Technická zpráva - Automatický vypouštěč meteobalónů ABL01A}
29 \author{Eva Pomíchalová, Jakub Kákona (kaklik@mlab.cz),\\ Ondřej Hanus, Pavel Jícha, Zbyněk Poskočil}
2849 kaklik 30 \maketitle
31  
3039 kaklik 32 \begin{figure} [h!]
33 \begin{center}
34 \includegraphics [width=160mm] {./img/box.JPG}
35 \end{center}
36 \end{figure}
37  
2852 pomiceva 38 \thispagestyle{fancy}
39 \newpage
2849 kaklik 40 \begin{abstract}
2852 pomiceva 41 \input{abstrakt.txt}
2849 kaklik 42 \end{abstract}
2852 pomiceva 43 \newpage
2849 kaklik 44  
45  
3039 kaklik 46  
2849 kaklik 47 \tableofcontents
48 \newpage
49  
3025 kaklik 50 \section{Automaticky vypouštěný sondážní balon}
2849 kaklik 51  
3026 kaklik 52 \subsection{Cíle konstrukce systému}
3025 kaklik 53  
3026 kaklik 54 \subsubsection{Síť pro detekci dopadu meteorů}
55  
56 \begin{figure}
57 \centering
3033 kaklik 58 \includegraphics[width=15cm, height=9cm]{img/SchemaCeleSite.png}
3026 kaklik 59 \caption{Schéma celé sítě}
60 \label{fig:blokcelasit}
61 \end{figure}
62  
2849 kaklik 63 Celý systém by měl být robotizovaným doplňkem sítě
3004 kaklik 64 \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:rmds}{radiových detektorů meteorů}, případně pak i
65 její vizuální varianty (video pozorování a bolidové kamery).
2849 kaklik 66  
3033 kaklik 67 Účel zařízení je zpřesnit odhad trajektorie temné dráhy meteoritu v
2849 kaklik 68 atmosféře zavedením korekcí na proudění vzduchových mas během letu. A
3033 kaklik 69 tím v důsledku zmenšit plochu dopadové elipsy meteoritu na zemský povrch.
2849 kaklik 70  
71 Údaje o proudech v atmosféře budou získány balónovou sondou vypuštěnou
72 bezprostředně po detekci průletu bolidu atmosférou. Místo vypuštění
73 balónové sondy by mělo být zvoleno automaticky na základě odhadu dráhy
74 meteoru a známých souřadnic balónových sil v síti.
75  
76 Důležitou součástí systému je plně robotizovaná vypouštěcí stanice
77 (balónové silo), která umožní vypuštění sondy ze známých souřadnic bez
78 zásahu lidské obsluhy. Vedlejším produktem takového vývoje bude zařízení
79 schopné v budoucnu automatizovat i vypouštění klasických
80 meteorologických
81 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Radiosonde}{radiosond}.
82  
3026 kaklik 83 \subsubsection{Automatické vypouštění meteorologických radiosond}
2849 kaklik 84  
3033 kaklik 85 Meteorologické sondy jsou dnes prakticky výhradně vypouštěny ručně nafouknutím balonu vodíkem, jeho uvázáním na na sondu a vypuštěním. Již dříve však bylo učiněno několik pokusů o automatizaci tohoto procesu \cite{automacic_balloon_launcher}. Avšak zatím žádný nedosáhl praktického nasazení. Což je pravděpodobně způsobeno komplikovaností procesu a zajištěním spolehlivosti tohoto řešení. Náročnost úlohy se podstatně zjednodušuje v případě, že vypouštěcí systém bude konstruován na jednorázové použití, jako je tomu v případě aplikace v síti pro detekci dopadu meteorů.
3025 kaklik 86  
87 \section{Pozemní vypouštěcí box}
88  
3004 kaklik 89 Pozemní stanici balónové sítě tvoří kompaktní krabice obsahující
90 techniku potřebnou k vypuštění balónové sondy. Zařízení je
2849 kaklik 91 konstruováno tak, aby bylo schopné vydržet řádově několik roků v
92 pohotovostním režimu, a čekat na příkaz k vypouštění sondy.
93  
3027 kaklik 94 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 95  
3041 kaklik 96 Vypouštěcí box musí být konstruovaný tak, aby jeho součásti měly vysokou spolehlivost umožnil snadné připojení do sítě, umožňoval zároveň příjem telemetrie z vypuštěných sond.
97  
98 \subsection{Elektronika pozemní stanice}
99  
3005 poskozby 100 Většina řídící elektroniky je složena z modulů
2849 kaklik 101 \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}
102  
3004 kaklik 103 Komunikace s řídícím systémem sítě stanic je aktuálně řešena terminálem na RS232 tvořeného modulem \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/RS232SINGLE01A}{RS232SINGLE01A} respektive jeho USB variantou \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/USB232R01B}{USB232R01B}. Další možnosti připojení jsou následující:
2849 kaklik 104  
105 \begin{itemize}
3009 kaklik 106 \item Ethernet - modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/ETH01A}{ETH01A}
107 \item Konvertor z TTL na sběrnici CAN \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLCAN01B}{TTLCAN01B}
108 \item Konvertor z TTL na sběrnici RS485. \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/TTLRS48501A}{TTLRS48501A}
109 \item GSM výhodné pro odlehlé oblasti a odesílání informací o poruchách.
110 \item USB - je přímo osazeno na použitém řídícím modulu a lze jej použít jako servisní terminál a k aktualizaci firmwaru pomocí bootloaderu.
2849 kaklik 111 \end{itemize}
112  
3004 kaklik 113 Jako hlavní řídící MCU této jednotky byl vybrán ARM STM32F103R8T v modulu
3009 kaklik 114 \href{/doku.php?id=cs:stm32f10xrxt}{STM32F10xRxT01A}. Firmware je pak dále popsán v kapitole \ref{Box_firmware}.
2849 kaklik 115  
116  
3027 kaklik 117 \subsubsection{Napájení elektronických subsystémů}
118  
3004 kaklik 119 Ve vývojové fázi funkčního vzoru je napájení systému řešeno PC ATX zdrojem, ze kterého jsou využity +5 V a +12 V větve. Toto řešení se neukázalo jako příliš optimální vzhledem ke špatné spolehlivosti PC zdrojů při provozu s nízkou zátěží v dalším prototypu bude proto ATX zdroj pravděpodobně nahrazen jiným spínaným zdrojem určeným pro tento druh aplikace.
2849 kaklik 120  
3028 kaklik 121 Výhodným řešením by také mohlo být využití fotovoltaických článků, které by v případě umístění na odsuvné střeše bylo možné využít k detekci zakrytí střechy.
3004 kaklik 122  
3028 kaklik 123  
3025 kaklik 124 \subsection{Mechanická konstrukce}
3004 kaklik 125  
3041 kaklik 126 Základem vypouštěče je polypropylenová krabice o rozměrech 57x39x42 cm, z obchodního řetězce IKEA. Bočnice a střecha jsou vyřezány z dutinkového polykarbonátu (má dobrý poměr hmotnosti a pevnosti). Výsledné uspořádání je vidět na obrázku \ref{fig:box} a bylo takto navrženo za účelem snadného a spolehlivého otevírání střechy.
3032 pomiceva 127  
3031 pomiceva 128 Bočnice mají tvar obdélníku, na kterém je posazen přesahující rovnoramenný trojúhelník. Obdélníková část je přichycena ke krabici a na trojúhelníkové části je posazena střecha, která je tvořena ze dvou desek. Tyto střešní desky, které se z důvodu vodotěsnosti navzájem překrývají, jsou uvnitř ve vrcholu střechy spojeny páskou. Při přetavení pásky rezistorem, se spustí vlivem gravitační síly po bočnicích na zem.
3004 kaklik 129  
3025 kaklik 130 \subsubsection{Akční členy}
3004 kaklik 131  
132 Většina akčních členů je konstruována s důrazem na maximální
133 spolehlivost. Akční členy proto jsou pružiny s
2852 pomiceva 134 přepalovacími PE pojistkami (silonové vlákno, nebo stuha
3005 poskozby 135 přepalovaná výkonovým rezistorem) ke spínáni proudu do rezistorů
3004 kaklik 136 je využit modul \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/NFET4X01B}{NFET4X01B}
2849 kaklik 137  
3009 kaklik 138 Dále se nám podařilo sestrojit prototyp odpalování pružiny pro otevírání víka pozemní vypouštěcí stanice. Tento pokus nejlépe ilustruje toto
139  
140 \href{http://www.mlab.cz/redmine/attachments/download/3/video-2013-03-09-23-43-33.mp4}{video}.
141  
142 U tohoto prototypu bylo zjištěno, že doba přepalování je poměrně dlouhá, což není vhodné. Jedním ze záměrů zhotovitele bylo nezničit odpor, což pravděpodobně nebude možné, aby doba spouštění nebyla příliš dlouhá.
3025 kaklik 143  
3037 pomiceva 144 Při jednom z testovacích odpalů bylo zjištěno, že u tohoto řešení pro otevření střechy hrozí sesunutí stuhy či silonu mimo rezistor. Tomuto bylo zabráněno vložením plastového článku navrženého přímo pro tyto účely a vytvořeného pomocí 3D tiskárny. Tento článek usměrňuje stuhu před rezistorem (obrázek \ref{fig:3Dtiskarna}).
145  
3009 kaklik 146 \begin{figure}[hbtp]
147 \centering
3025 kaklik 148 \includegraphics[width=10cm]{img/odpalovac2.jpg}
3041 kaklik 149 \caption{Prototyp zajišťovacího mechanismu}
3009 kaklik 150 \label{fig:odpalovac}
151 \end{figure}
152  
3037 pomiceva 153 \begin{figure}[hbtp]
154 \centering
155 \includegraphics[width=10cm]{img/vodiciClanek.jpg}
3041 kaklik 156 \caption{Vodící článek pro vázací balíkový pásek (stuhu)}
3037 pomiceva 157 \label{fig:3Dtiskarna}
158 \end{figure}
159  
3033 kaklik 160 V produkční verzi by mela být kosntrukce řešena polyfúzně svařovanou plastovou bednou dostatečně těsnou, aby nebyla zajímavá pro hlodavce a další havěť.
3025 kaklik 161  
162 Rozměry by měly být upraveny tak, aby umožnila vypouštění i současných profesionálních balónových sond.
3009 kaklik 163  
3037 pomiceva 164 Dalším možným řešením otevírání střechy jsou panty. Tyto panty by držely střešní desky v zavřené poloze a po přepálení pásky rezistorem by se tyto desky vyklopily do stran, jak je znázorněno na obrázku \ref{fig:oteviraniStrechy}. Pohyb, který by střešní desky musely vykonat, by byl zajištěn pružinami. Nejvhodnějším řešením je použití zkrutné pružinu u každého pantu.
3024 kaklik 165  
3037 pomiceva 166 \begin{figure}[hbtp]
167 \centering
3038 pomiceva 168 \includegraphics[width=16cm]{img/otevirani_strechy2.jpg}
3037 pomiceva 169 \caption{Otevírání střechy}
170 \label{fig:oteviraniStrechy}
171 \end{figure}
172  
3025 kaklik 173 \subsubsection{Uzavírací mechanismus balónu}
3024 kaklik 174  
3032 pomiceva 175 Jako uzavírací a vypouštěcí systém balónu je použito odporové svařování. Toto svařování je umístěno v lisovacím mechanismu, který má za úkol stisknout nohavici balónu, jež přivádí nosný plyn do balónu. V poslední fázi činnosti tohoto mechanismu je nohavice příčně přetavena. Tím dojde k uzavření přívodu do balónu a zároveň k odpoutání balónu od uzavíracího systému. K uvolnění balónu je potřeba dostatečný vztlak, jenž přetrhne natavený materiál a uzavřený balón pak začne stoupat.
176  
3037 pomiceva 177 Lis je tvořen pohyblivou přítlačnou plochou a pevnou zarážkou s odporovým drátem. Přítlačná plocha je schopna posuvného pohybu po kolejnicích s přírazem k pevné zarážce. O přítlak se starají dvě pružiny umístěné na kolejnicích za plošinou, jak je vidět na obrázku \ref{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}.
3032 pomiceva 178  
3024 kaklik 179 Pro snadnější rozevírání lisu a jeho spuštění je použit naviják, který přitahuje přítlačnou plošinu. Po dostatečném rozevření lisu, je naviják zajištěn páskou, která je vedena přes rezistor. Lis je aktivován tak, že rezistor přetaví pásku, zajišťující naviják. Naviják se uvolní a pružiny sevřou lis.
180  
3032 pomiceva 181 Na pevné zarážce je natažen odporový drát, který má za úkol přetavit nohavici stisknutou lisem. Aby nedošlo k příliš rychlému přetavení nohavice, je přes odporový drát přetažen pauzovací papír. Pro lepší účinnost systému je pauzovacím papírem potažena i přítlačná plošina. Pauzovací papír se postará o lepší rozložení tepla a zároveň brání přitavení nohavice k lisu.
182  
183 Pro správnou funkci lisu je důležitá poloha, ve které doléhá přítlačná plošina k zarážce. Přítlačná plošina musí doléhat tak, aby její horní hrana byla v zákrytu s horní hranou odporového drátu. Pokud by plošina byla posunuta výše, došlo by sice k přetavení, ale balón by se nedokázal vlastní silou odpoutat od systému, protože by byl stále držen lisem. Pokud by plošina byla posunuta níže, nedošlo by k správnému uzavření a odpoutání balónu. Při správném nastavení plošina doléhá přesně na hraně odporového drátu, dojde k uzavření balónu a jeho následnému odpoutání. Správné nastavení je znázorněno na obrázku \ref{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}.
184  
3025 kaklik 185 \begin{figure}[hbtp]
186 \centering
187 \includegraphics[width=15cm]{./img/uzaviraci_mechanismus.jpg}
188 \caption{Nákres uzavíracího mechanismu balónu}
189 \label{fig:uzaviraci_mechanismus_nakres}
190 \end{figure}
3024 kaklik 191  
3027 kaklik 192 \subsubsection{Napouštěcí systém balónu}
193  
3032 pomiceva 194 Pneumatika napouštěče balónu řeší problém dávkování nosného plynu do balónu. Pro experimenty s funkčním vzorem přístroje bylo jako nosný plyn vybráno helium (bezpečný inertní plyn).
3027 kaklik 195  
196 Pro dávkování nosného plynu do balónu byly uvažovány dva koncepty.
197  
198 \begin{enumerate}
199 \item Použití jednorázové plynové kartuše naplněné právě potřebným množstvím plynu.
200 \item Použití opakovaně plnitelné tlakové lahve
201 \end{enumerate}
202  
203 \paragraph{Tlaková nádoba}
204  
3032 pomiceva 205 Pro první případ uvažující jednorázovou plynovou náplň byla vybrána tlaková nádoba zobrazena na obrázku \ref{fig:helium}. Její původní plánované využití je pro miniautogeny a je plněna tlakem 100 bar. Výhodou je výstupní šroubení M10x1 a uzavírání tlačným kuželovým ventilem, který by mělo být možné uvolňovat šroubovacím mechanismem. Například s pružně uloženým trnem.
3027 kaklik 206  
207 \begin{figure}
208 \centering
209 \includegraphics[width=10cm, height=8cm]{img/Kartuse_s_heliem.png}
210 \caption{Konstrukce ventilu plynové kartuše s héliem}
211 \label{fig:helium}
212 \end{figure}
213  
3041 kaklik 214 V originálním uspořádání je tlačný kuželový ventil otevírán redukčním ventilem, který je vidět na obrázku \ref{fig:ventil_autogen}. Ten kromě kuželu a přítlačné pružiny obsahuje ještě i zpětný ventil s hadičníkem, který lze z těla redukčního ventilu odšroubovat.
3027 kaklik 215  
3041 kaklik 216  
3027 kaklik 217 \begin{figure}
218 \centering
219 \includegraphics[width=10cm]{img/Redukcni_ventil.png}
220 \caption{Redukční ventil}
221 \label{fig:ventil_autogen}
222 \end{figure}
223  
3041 kaklik 224 Pro konstrukci prototypu napouštěče balónu bylo potřeba opakovaně experimentovat s procesem napouštění a problém opakovaného naplnění plynové kartuše a otevírání kuželového ventilu se nepodařilo z časových důvodů vhodně vyřešit. Z toho důvodu byla použita opakovatelně plnitelná tlaková nádoba v kombinaci s klasickým redukčním ventilem na kyslík. Helium je pak dávkováno elektromagnetickým ventilem \ref{fig:elmag_ventil}.
3027 kaklik 225  
226  
227 \begin{figure}
228 \centering
229 \includegraphics[width=10cm]{img/Lahev_helium.jpg}
230 \caption{Znovuplnitelná lahev na technické plyny}
3028 kaklik 231 \label{fig:refillable_gas_cilinder}
3027 kaklik 232 \end{figure}
233  
234 \begin{figure}
235 \centering
236 \includegraphics[width=10cm]{img/redukcni_ventil_vodik.jpeg}
237 \caption{Redukční ventil na vodík - tento ventil byl pořízen s očekáváním lepších parametrů, než ventil kyslíkový, má však ale levý závit. (Jako všechny ventily pro hořlavé plyny splňující normu)}
238 \label{fig:redukcni_ventil_vodik}
239 \end{figure}
240  
241 \begin{figure}
242 \centering
243 \includegraphics[width=10cm]{./img/redukcni-ventil-autogen-kyslik.jpg}
244 \caption{Redukční ventil na kyslík sloužící jako náhrada za vodíkový redukční ventil s levým závitem}
3028 kaklik 245 \label{fig:redukcni_ventil_kyslik}
3027 kaklik 246 \end{figure}
247  
248 \begin{figure}
249 \centering
250 \includegraphics[width=10cm]{img/elektromagneticky_ventil.jpg}
251 \caption{Elektromagnetický dávkovací ventil}
252 \label{fig:elmag_ventil}
253 \end{figure}
254  
3041 kaklik 255 Toto uspořádání má značnou nevýhodu. Helium je pod stálým tlakem ve značném objemu aparatury. Vlivem netěsností a difuze skrz materiály s nízkou hustotou, jako jsou například hadice, nebo pryžová těsnění helium postupně uniká. Toto chování bylo demonstrováno při zkouškách prototypu natlakováním asi 1m dlouhé hadice s průměrem 6 mm přes redukční ventil na jejím druhém konci pak byl připojený manometr, na kterém bylo možné sledovat klesání tlaku v hadici. Tlak z původních 0,4 MPa klesl během několika desítek minut na 0,2 MPa. Dále přes noc klesl až k nule. Hadice byla k regulačnímu ventilu a manometru připojena kvalitními nástrčnými šroubeními pro technické plyny se závity těsněnými teflonovou páskou.
3027 kaklik 256  
3032 pomiceva 257 Je tedy zřejmé, že systém se stále otevřenou tlakovou lahví a regulačním ventilem nemůže být použit v produkční verzi zařízení, neboť nelze zaručit trvanlivost náplně v tlakové nádobě po delší dobu.
3027 kaklik 258  
259  
3026 kaklik 260 \subsection{Diagnostika stavu systému}
261  
262 \begin{itemize}
263 \item
264 Kontrola úspěšného startu (měření vztlaku balónu)
265 \item
266 Měření teplot, tlaku plynové náplně, průtoku média do balónu.
267 \item
3041 kaklik 268 Vlhkost uvnitř krabice (průsak a ztráta vodotěsnosti proražením, nebo netěsností střechy)
3026 kaklik 269 \end{itemize}
270  
271 \subsubsection{Meteorologická data}
272  
3041 kaklik 273 Základní meteorologické veličiny nutné pro rozhodnutí o startu jsou měřeny lokálně (teplota, tlak, relativní vlhkost, směr rychlost větru) automatickou meteostanicí \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:aws}{AWS01B} a lokálně zaznamenávány společně s údaji z \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A} (pozice stanice a přesný čas) logu a reportu o průběhu startu.
3026 kaklik 274  
3025 kaklik 275 \subsection{Firmware pozemní stanice}
3009 kaklik 276 \label{Box_firmware}
2849 kaklik 277  
3025 kaklik 278 \subsubsection{Real-time operační systém}
3005 poskozby 279 Pro ovládání celého systému byl zvolen real-time operační systém (RTOS). Ten byl zvolen především pro zjednušení programování vypouštěče, konkrétně nastavování periférií procesoru a řízení vícevláknové aplikace na něm běžící.\\
3032 pomiceva 280 Jako RTOS pro tuto aplikaci tak byl zvolen ChibiOS, který splňuje standardní požadavky na RTOS a navíc s ním byly v týmu zkušenosti při programování jiných aplikací pod procesory ARM a ovládání modulů \href{http://www.mlab.cz/}{stavebnice MLAB}.
3009 kaklik 281  
3025 kaklik 282 \subsubsection{Funkce firmwaru}
3009 kaklik 283  
3032 pomiceva 284 Aplikaci pro ovládání odpalování je možné rozdělit na čtyři funkční bloky, které jsou realizovány pomocí vláken. Funkční diagram je zobrazen na obrázku \ref{fig:Diag_firmware}. V následujících odstavcích bude podrobněji rozebrána funkce jednotlivých vláken aplikace.
3025 kaklik 285 \paragraph{Blikání LED}
3032 pomiceva 286 V tomto vlákně je realizované prosté blikání LED, které slouží pro signalizaci běhu programu. Mezi tím, kdy dioda svítí a nebo je vypnutá, je vlákno uspáno. Tím je vyřešeno jak časování, tak úspora prostředků procesoru.
3025 kaklik 287 \paragraph{Vypouštění}
3032 pomiceva 288 Toto vlákno se stará o kompletní sekvenci pro vypuštění balónu. Po spuštění a inicializaci proměnných spadne program do nekonečné smyčky, ve které je následně uspán a čeká na probuzení. To nastane ve třech případech:\\
3002 kaklik 289 \begin{enumerate}
290 \item Příjem příkazu pro odpal
291 \item Příjem příkazu pro zrušení odpalu
292 \item Probuzení od časovače
293 \end{enumerate}
294 Ad. 1. Po příjmu příkazu, který zahajuje celou sekvenci odpalování se vypíše na terminál zpráva o zahájení vypouštění a sepne se pin, na kterém je připojen aktuátor, který otevírá víko krabice, ve které je balón uložen (v době vykonávání každého kroku je na terminál vypisována informace o tom, kolik procent z daného kroku je již vykonáno). Pomocí koncového spínače je snímána informace o tom, zda se střecha opravdu otevřela, pokud se tak nestalo, je celá sekvence ukončena. Pokud snímač indikuje otevření střechy, přistupuje se k dalším kroku.\\
3032 pomiceva 295 Tím je otevření ventilu a následné zahájení napouštění balónu. Tento krok není v současné době nijak zpětnovazebně snímán - je dán pouze čas, kdy je ventil otevřen. Do budoucna by bylo vhodné použíti měření průtoku k získání informace, zda je balón opravdu napuštěn daným množstvím plynu.\\
296 Třetím krokem celé sekvence je přepálení plastové pojistky, která spouští tavící lis. Po pevně dané časové prodlevě, která by měla být dostačující pro přetavení, je pomocí koncového spínače zjištěno, zda se pojistka přetavila. Pokud ano, pokračuje se posledním krokem, pokud ne, dochází opět k přerušení odpalovací sekvence a návrat do výchozího stavu.\\
297 Posledním krokem je zatavení naplněného balónu. V tomto kroku je opět nadefinován čas, po který dochází k zatavování balónu pomocí odporového drátu. Po uplynutí nadefinované doby je balón zataven, na terminál je vypsána informace o ukončení vypouštění a všechny výstupy jsou v neaktivním stavu.\\
3002 kaklik 298 Ad. 2. V případě příjmu zprávy, která přikazuje ukončení procesu odpalování, se deaktivují výstupy aktivní během vypouštění a uživatel je informován o úspěšném přerušení celé sekvence.\\
3032 pomiceva 299 Ad. 3. Pro přesné časování během celého procesu odpalování je využito funkce časovače. Ten se v každém kroku odpalování sepne na určitou dobu, která je celočíselným násobkem celkové doby, jež se čeká v daném kroku. Tento postup byl zvolen z toho důvodu, aby mohla být průběžně aktualizována zpráva pro uživatele vyjadřující čas, který zbývá do ukončení daného úkolu.
3004 kaklik 300  
3025 kaklik 301 \paragraph{Příjem příkazu od uživatele}
3004 kaklik 302  
3032 pomiceva 303 Pro komunikaci s uživatelem je využito sériové linky. Ta se využívá jak pro informování uživatele o aktuálním stavu programu, tak zároveň k příjmu příkazů od uživatele. Celý algoritmus příjmu příkazu spočívá ve vyčítání znaků zadaných uživatelem znak za znakem až do té chvíle, kdy je stisknut ENTER a nebo je překročena maximální délka příkazu. Poté se buď zadaný příkaz dekóduje a následně provede a nebo je vypsána informace, že příkaz nebyl rozeznán.
3004 kaklik 304  
3025 kaklik 305 \paragraph{Příjem dat z GPS modulu}
3004 kaklik 306  
3002 kaklik 307 Posledním vláknem využívaném ve firmwaru vypouštěče je vlákno, které se stará o příjem a dekódování NMEA zprávy posílané po sériové lince z GPS modulu
3025 kaklik 308 \cite{GPS_ublox}. Každou vteřinu je vyčítána NMEA zpráva a z ní je vybrána GPRMC zpráva, ze které je následně získána informace o aktuálním čase, datu a poloze stanice. Tato informace slouží jednak pro přesné logování událostí a zároveň v budoucnu pro snadné lokalizování vypouštěcí stanice.
309  
3026 kaklik 310 \subsubsection{Uživatelské rozhraní}
311  
3005 poskozby 312 Při spuštění terminálu se po resetu programu procesoru vypíše úvodní zpráva s nápovědou, na kterých výstupních pinech procesoru jsou připojeny jednotlivé akční členy. Poté program přechází do pohotovostního režimu a čeká na příkaz od uživatele. Tyto příkazy jsou:
3004 kaklik 313  
3041 kaklik 314 \begin{itemize}
3002 kaklik 315 \item odpal
316 \item zrus (nebo písmeno "s")
317 \item help
318 \item check
3041 kaklik 319 \end{itemize}
3004 kaklik 320  
3005 poskozby 321 Příkaz \textbf{odpal} spustí vypouštěcí sekvenci probuzením daného vlákna pro vypouštění. Příkaz \textbf{zrus} zastaví vypouštěcí sekvenci, pokud byla zahájena a informuje o tom výpisem o ukončení vypouštění. Zároveň jde vypouštění zrušit okamžitě stisknutím "s" bez nutnosti potvrzovat příkaz enterem. Příkaz \textbf{help} vypíše stejnou úvodní zprávu jako po resetu programu. Poslední příkaz \textbf{check}, lze použít pro kontrolu stavu vypouštěče před začátkem vypouštění. Po zadání tohoto příkazu jsou na terminál vypsány informace o aktuálních stavech použitých senzorů. Lze tak například zkontrolovat, že střecha není zajištěna, nebo že je lis již spuštěn.
2849 kaklik 322  
3002 kaklik 323 \begin{figure}[hbtp]
3006 kaklik 324 \begin{center}
3004 kaklik 325 \includegraphics[height=200mm]{./img/program_flow.png}
3002 kaklik 326 \caption{Funkční diagram firmwaru Automatického vypouštěče}
3005 poskozby 327 \label{fig:Diag_firmware}
3006 kaklik 328 \end{center}
3002 kaklik 329 \end{figure}
330  
331  
3008 kaklik 332 \begin{figure}
3006 kaklik 333 \begin{center}
334 \includegraphics[width=10cm] {./img/Schema_ARM.png}
2852 pomiceva 335 \caption{Blokové schéma pozemního vypouštěcího boxu}
336 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 337 \end{center}
2852 pomiceva 338 \end{figure}
2849 kaklik 339  
340  
3025 kaklik 341 \section{Balónová sonda}
2849 kaklik 342  
3041 kaklik 343 Hlavním úkolem meteorologické sondy je v případě použití systému ke zpřesnění dráhy dopadu meteoru změření směrů a rychlostí větru. Z tohoto hlediska jde proto o meteorologickou sondu označovanou jako \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Rawinsonde}{Rawinsonde}. Neletový prototyp sondy byl experimentálně sestaven z modulů stavebnice
2849 kaklik 344 \href{http://www.mlab.cz/Server/GenIndex/GenIndex.php?lang=cs\&path=/Modules}{MLAB}
345  
346 \href{/doku.php?id=cs:atmegatq32}{ATmegaTQ3201A},
347 \href{/doku.php?id=cs:sdcard}{SDcard01B},
3032 pomiceva 348 \href{/doku.php?id=cs:gps}{GPS01A}.
2849 kaklik 349  
3027 kaklik 350 \subsection{Potřebné parametry}
2849 kaklik 351  
3041 kaklik 352 GPS na sondě by měla být udržovaná ve stavu FIX, aby pak nedocházelo ke zpoždění vypuštění v důsledku čekání na fix.
2849 kaklik 353  
3039 kaklik 354 \subsubsection{Komunikace (Telemetrické údaje)}
2849 kaklik 355  
356 \begin{itemize}
357 \item
358 Primárním cílem je měření rychlosti a směru větru ve známých bodech.
359 \item
360 GPS údaje 10Hz, textový výstup
361 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/NMEA\_0183}{NMEA}
362 \item
363 další veličiny jako teploty, tlaky atd. jsou volitelné.
364 \item
3032 pomiceva 365 Radio maják a akustický maják
2849 kaklik 366 \item
367 Radiový přenos telemetrie v pásmu 27-450 MHz: možnost bezlicenčních
368 pásem (SVN: VO-R-16, VO-R-10)
369 \item
370 Radiomoduly: \href{http://www.artbrno.cz}{http://www.artbrno.cz},
371 \href{http://www.anaren.com}{http://www.anaren.com}
372 \end{itemize}
373 GPS je potřeba vybrat tak, aby fungovala i ve větších výškách.
374 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_3}{3)}}
375  
3039 kaklik 376 \subsubsection{Napájení sondy během letu}
2849 kaklik 377  
378 \begin{itemize}
379 \item
380 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium\_battery}{Lithiový článek}
381 (negeneruje teplo, minimální provozní teplota je -60 C)
382 \item
383 Hořčíková baterie (generuje teplo pro temperování elektroniky)
384 \item
385 \href{http://en.wikipedia.org/wiki/Silver-oxide\_battery}{Stříbro-oxidový
386 článek} Vydrží nižší provozní teploty a je ekologicky nezávadný.
387 \item
388 Ideální by bylo použití
389 \href{https://www.youtube.com/watch?feature=player\_embedded\&v=OtM6XJlynkk}{superkapacitorů}
390 \end{itemize}
3039 kaklik 391  
2849 kaklik 392 Řešením problému s nízkou teplotou ve vyšších výškách by mohlo být
393 předehřátí sondy při startu.
394  
3032 pomiceva 395 Komunikace a napájení za letu nebylo v rámci této fáze projektu finálně vyřešeno.
396  
3039 kaklik 397 \subsubsection{Konstrukce}
398 \label{konstrukce}
2849 kaklik 399  
400 \begin{itemize}
401 \item
402 Balón - \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Polyethylen}{PE} pytel
3032 pomiceva 403 (životnost v zabaleném stavu - pryž časem degraduje)
2849 kaklik 404 \textsuperscript{\href{\#fn\_\_4}{4)}}
405 \item
406 Možnost dálkového odpojení balónu od sondy (ukončení stoupání)
407 \item
408 Prototyp plněný \href{http://cs.wikipedia.org/wiki/Helium}{heliem},
3032 pomiceva 409 ekologičtější. Další možností byl vodík, který lze vyrábět chemicky přímo během
410 vypuštění sondy.
2849 kaklik 411 \item
412 Splnění požadavků na bezpečnost provozu (letovou, majetkovou a
413 personální)
414 \end{itemize}
415  
3039 kaklik 416 \subsubsection{Firmware}
417  
2849 kaklik 418 \begin{itemize}
419 \item
420 Záznam dat v gondole balónu mikroSD karta
421 \end{itemize}
422  
3032 pomiceva 423 Toto řešení bylo zavrženo jako nevhodné z důvodu malé šance nalezení a návratu gondoly. Data bude nutné přenášet online na zem.
424  
3008 kaklik 425 \begin{figure}
3006 kaklik 426 \begin{center}
427 \includegraphics[width=10cm]{img/Schema_ATmega.png}
2852 pomiceva 428 \caption{Blokové schéma balónové sondy}
429 \label{fig:blokpozem}
3008 kaklik 430 \end{center}
2852 pomiceva 431 \end{figure}
2849 kaklik 432  
3039 kaklik 433 \subsubsection{Legislativní požadavky}
2849 kaklik 434  
435 Pravidla pro lety volných balónů bez pilota jsou definovány v leteckých
436 předpisech L-2 Pravidla létaní, dodatek 5 a R.
437  
438 \paragraph{Kategorie balónu}
439  
440 Balón by měl spadat do kategorie B2, která je definována jako volný
3005 poskozby 441 balón s objemem menším než 3,25~$m^{3}$, přičemž žádný z rozměrů balónu
442 nepřekračuje 2~m. Rozměr 2~m je rozměr při jeho maximálním
2849 kaklik 443 naplnění/roztažení.
444  
3005 poskozby 445 \paragraph{Povolení vypuštění}
2849 kaklik 446  
447 Užitečné zatížení představují předměty a materiály, které by v případě
448 střetu s letadlem mohly způsobit poškození letadla (zejména prskavky,
449 svítící tyčinky, lámací světla, LED diody apod.) a jakékoliv zatížení o
450 hmotnosti přesahující 0,1 kg. Vzhledem k této definici bude nutné mít
451 pro provoz balónu povolení. Všechny informace ohledně letu (jako je
452 datum, čas, místo vypuštění, užitečné zatížení atp.) musí být zveřejněny
453 v Letecké informační příručce (AIP). Pro vypuštění ve zvláštních
454 případech, jako je mimořádné pozorování, je potřeba upozornit
455 prostřednictvím navigační výstrahy formou zprávy NOTAM, která se musí
456 podat minimálně 24 hodin před vzletem balónu.
457  
458 \paragraph{Materiály}
459  
460 Balón nesmí být plněn hořlavými a výbušnými plyny s výjimkou povolení
461 ÚCL. Omezení pro materiál antény ani baterií nejsou definovány. Materiál
462 balónu také není definován, ale při použití balónu o vysoké svítivosti
463 nebo zhotoveného z materiálů o velké světelné nebo radarové odrazivosti
3008 kaklik 464 musí být oznámeno vypuštění balónu nejbližšímu stanovišti letových provozních služeb.
2849 kaklik 465 Materiál (lano, provázek) spojující balón se sondou nesmí vydržet větší
3005 poskozby 466 sílu než 230~N.
2849 kaklik 467  
468 \hyperdef{}{dostup}{\paragraph{Dostup}\label{dostup}}
469  
470 Pro dostup nejsou omezení.
471  
472 \paragraph{Místo vypuštění}
473  
474 Omezení se týká všech Zakázaných, Nebezpečných a Omezených prostorů,
475 stejně jako dočasně aktivovaných prostorů v době jejich používaní, s
476 výjimkou kdy tak povolí ÚCL nebo kdy je prostor vyhrazen pro let
477 předmětného balónu. Provoz balónu blízko hranic a letišť je
478 problematický, nedoporučuje se.
479  
480 \paragraph{Řešení legislativních problémů}
481  
482 \begin{itemize}
483 \item
3032 pomiceva 484 Navržení bezpečné sondy, která splní požadavky ÚCL pro kategorii B2.
485 \item Řízené stoupání a aktivní zabránění vzniku kolize. Takový systém by mohl zároveň zjednodušit návrat sondy viz
2852 pomiceva 486 \href{http://www.youtube.com/watch?v=rpBnurznFio}{zde})
3028 kaklik 487 \item Autodestrukce při hrozící srážce.
2849 kaklik 488 \end{itemize}
489  
3032 pomiceva 490 Bylo zvoleno první řešení, a to navržení bezpečné sondy spadající do kategorie B2. Finální systém bude muset být předložen k posouzení komisi na ÚCL.
491  
3025 kaklik 492 \subsection{Meteorologický balón}
3033 kaklik 493  
3028 kaklik 494 Balón pro meteorologickou sondu je samostatný problém neboť sonda stoupá během letu do výšek až 30 km a dochází tak k namáhání balónu rychlou změnou teploty a nízkými teplotami (-60 $^\circ$). Zárověň se přibližně 13x zvětší objem balónu.
2849 kaklik 495  
3032 pomiceva 496 Nosné meteorologické balóny jsou proto obvykle vyráběny z latexu. Jsou používány jako tlakové, což znamená, že nosný plyn je uvnitř pod stálým tlakem mírně větším, než je tlak okolního prostředí. Důvod jejich používání je pravděpodobně jednak historický a také důsledkem faktu, že jiné meteorologické balony se běžně komerčně nevyrábějí. Jejich rozměry a parametry jsou však pro toto využití nevyhovující, protože jejich hmotnosti se pohybují v rozsahu stovek gramů až jednotek kilogramů, přičemž nosnost je přibližně srovnatelná s jejich hmotností.
3028 kaklik 497  
3025 kaklik 498 \subsubsection{Svařování balónu}
499  
3041 kaklik 500 Vzhledem k nestandardním požadavkům proto bylo potřeba si svařit vlastní balón z PE fólie. K tomu byl využit polotovar známý jako hadice. Na balonu jsou pak pouze dva svařované spoje na spodní a horní části.
3028 kaklik 501  
502  
503  
3035 pomiceva 504 \subsubsection{Zpětný ventil}
505 Při jednom pokusu (původně neúspěšném) o nastavení nohavice pro nafukování a zatavování balónu se podařilo přijít na velice zajímavý, překvapivě jednoduchý a efektivní způsob řešení zpětného ventilu \ref{fig:ZpetVentilFoto}. Zatavovací mechanismus bude použit v každém případě, ale jako pojistku lze použít právě ventil popsaný v následujícím odstavci.
3025 kaklik 506  
3035 pomiceva 507 V podstatě jde o přerušení nohavice a následné napojení „nasunutím“ jedné části do druhé (obrázek \ref{fig:ZpetVentil}). Pokud je spodní část nasunuta do vrchní (připojené k balónu) a upevněna například pomocí lepicí pásky, bude možné balón bez problémů napustit. Ovšem při pokusu balón vypustit se zjistí, že je to téměř nemožné. Ta část nohavice, které je nasunutá uvnitř, se vlivem opačného tlaku vzduchu (nebo jiného plynu) zdeformuje a zablokuje průchod. Tímto způsobem lze velice levně, jednoduše a efektivně vytvořit zpětný ventil, který by měl být pro účely autovypouštěče naprosto dostačující.
3025 kaklik 508  
509 \begin{figure}
510 \centering
511 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentilFoto.JPG}
512 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu - foto}
513 \label{fig:ZpetVentilFoto}
514 \end{figure}
515  
516 \begin{figure}
517 \centering
518 \includegraphics[width=10cm]{./img/ZpetnyVentil.png}
519 \caption{Zpětný ventil v nohavici balónu}
520 \label{fig:ZpetVentil}
521 \end{figure}
522  
523  
524  
525 \section{Řídící systém sítě}
526  
527 \subsection{Zpracování dostupných dat}
528  
2849 kaklik 529 \begin{itemize}
530 \item
531 Odhad vektoru meteoru v atmosféře
532 \item
533 Záznam dostupných meteorologických dat pro pozdější rekonstrukci
534 (družicové snímky, aktuálně měřené hodnoty ČHMÚ, radarové snímky)
535 \item
3005 poskozby 536 Sběr dat z jednotlivých stanic
2849 kaklik 537 \item
3005 poskozby 538 Výpočet vektoru a výškových profilů větru
2849 kaklik 539 \end{itemize}
3025 kaklik 540 \subsection{Rozhodovací proces}
2849 kaklik 541  
3035 pomiceva 542 Použití přesněji nedefinovaného skriptovacího jazyka pro popis procesu
543 \href{http://www.ros.org/wiki/}{ROS}
2849 kaklik 544  
545 \begin{itemize}
546 \item
547 Přidělení příkazu ke startu jednotlivým stanicím.
548 \item
549 Přeplánování startu v důsledku neúspěšného vypuštění nebo zamítnutí
550 stanicí.
551 \item
552 Kontrola potenciálního narušení vzdušného prostoru a zakázaných zón.
553 \end{itemize}
3025 kaklik 554 \subsection{Správa systému}
2849 kaklik 555  
556 \begin{itemize}
557 \item
3005 poskozby 558 Registrace jednotlivých stanic a správa uživatelů v kooperaci s
2849 kaklik 559 projektem \href{http://www.astrozor.cz/}{Astrozor}
560 \end{itemize}
561  
3035 pomiceva 562 V této fázi projektu nebyl Řídící systém podrobněji řešen, pouze počáteční návrhy.
3009 kaklik 563  
3035 pomiceva 564 \section{Výsledky projektu}
3025 kaklik 565  
3036 pomiceva 566 Byl vyvinut funkční vzor pozemní stanice automatického vypouštěče a demonstrován jeho fungující stav. Tento prototyp poslouží pro další experimenty a k dalšímu zdokonalení konstrukce. Na tomto projektu lze pokračovat i v dalších fázích. První nástin toho, co bude třeba vylepšit obsahuje následující kapitola.
2849 kaklik 567  
3035 pomiceva 568 V průběhu vývoje nastalo několik technických problémů. Navrhovaná řešení jednotlivých problémů jsou uvedena v technické části vždy u příslušné kapitoly.
2849 kaklik 569  
3036 pomiceva 570 Co se týká organizačních problémů v týmu, tak největší obtíží bylo poměrně dlouhodobé onemocnění jednoho člena týmu a následné zranění dalšího člena týmu. Vše se nakonec s pomocí moderních technologií podařilo vyřešit a prototyp boxu byl úspěšně sestaven. Prodlevy v práci byly řešeny společnými víkendovými workshopy.
571  
3027 kaklik 572 \subsection{Možnosti budoucího vývoje zařízení}
3009 kaklik 573  
3035 pomiceva 574 V produkční verzi zařízení bude potřeba zejména vylepšit mechanickou konstrukci vypouštěcího boxu tak, aby byla odolnější proti povětrnostním vlivům.
575 Dále bude potřeba vylepšit firmware tak, aby časování sekvence fungovalo korektním způsobem.
3036 pomiceva 576  
577 \subsection{Doporučení pro další cvičení}
3041 kaklik 578 U tohoto konkrétního projektu byla největším nedostatkem výbava fakultních laboratoří. Balón byl svařován v dílně Fakulty strojní a finální box byl sestavován ve velice dobře vybavené \href{http://macgyver.sh.cvut.cz/}{bastlírně} bloku 9 na Strahově. Poděkování patří především provozovatelům právě této Strahovské dílny, která byla týmu k dispozici bez jakýchkoli komplikací včetně kompletního vybavení.
3028 kaklik 579  
2852 pomiceva 580 \newpage
581  
2849 kaklik 582 \begin{thebibliography}{99}
2852 pomiceva 583 \bibitem{cement}{například síť CEMeNt}
584 \url{http://cement.fireball.sk/}
585 \bibitem{radiosondy}{radiosondy}
586 \url{http://www.radiosonde.eu/}, \url{http://www.radiosonda.sk/}
587 \bibitem{cocom}{směrnice CoCom}
588 \url{http://en.wikipedia.org/wiki/CoCom\#Legacyi}
589 \bibitem{moguli}{projekt Mogul}
590 \url{http://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt\_Moguli}
3028 kaklik 591 \bibitem{Parafoil_Return_Vehicle}{Autonomous Parafoil Return Vehicle}
592 \url{http://mbed.org/users/lhiggs/notebook/autonomous-parafoil-return-vehicle/}
3002 kaklik 593 \bibitem {GPS_ublox}{UBLOX. LEA-6 series [online]. 2013 [cit. 2013-05-12]. Dostupné z: http://www.u-blox.com/en/gps-modules/pvt-modules/lea-6-family.html}
594 \bibitem {ChibiOS/RT}\url{http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php}
3033 kaklik 595 \bibitem{automacic_balloon_launcher}{A Cost Effective Automatic Balloon Launcher}
596 \url{http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp?purl=/768881-IVNrhd/native/768881.pdf}
2849 kaklik 597 \end{thebibliography}
3028 kaklik 598 \end{document}